龍國(guó)鋒

（廣東省公安消防總隊(duì)東莞支隊(duì)，廣東東莞523000）

幾種常用地毯材料的燃燒性能分析

龍國(guó)鋒

（廣東省公安消防總隊(duì)東莞支隊(duì)，廣東東莞523000）

利用氧指數(shù)法、水平垂直燃燒法、錐形量熱儀法對(duì)幾種地毯材料的燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試。給出了幾種常見(jiàn)地毯材料燃燒所需的氧氣百分?jǐn)?shù)，水平垂直方向的燃燒性能，在不同熱輻射強(qiáng)度下的質(zhì)量損失、熱流量釋放、煙氣釋放、CO的釋放等燃燒特性的測(cè)試結(jié)果。綜合評(píng)價(jià)了材料的燃燒性能以及對(duì)消防安全的影響。

地毯材料；燃燒性能；氧指數(shù)法；水平垂直燃燒法；錐形量熱儀法

引言

地毯主要是用棉、麻、毛、絲等天然纖維或化學(xué)纖維合成的原材料，經(jīng)手工或機(jī)械工藝編結(jié)、栽絨或紡織制成的。在建筑物內(nèi)部裝修及人們的日常生活中地毯的應(yīng)用十分廣泛，常見(jiàn)敷設(shè)于家庭住宅、酒店賓館、體育館、展覽廳以及車(chē)輛、船舶、飛機(jī)等的地面。地毯因其具有可燃性，而且在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大熱量，燃燒迅速，會(huì)釋放出有毒氣體，給火災(zāi)消防和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員疏散逃生帶來(lái)許多問(wèn)題。研究不同材料地毯的燃燒性能，對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的預(yù)防和控制有一定的指導(dǎo)意義。本文試運(yùn)用氧指數(shù)法、水平垂直燃燒法、錐形量熱儀法對(duì)幾種常用地毯材料的燃燒特性進(jìn)行測(cè)試。

一、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)材料

準(zhǔn)備丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯作為研究對(duì)象。

規(guī)格要求：

氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)試樣尺寸：120mm×6.5mm× 5mm；

水平垂直燃燒實(shí)驗(yàn)試樣尺寸：125mm×13mm ×5mm；

錐形量熱儀試樣尺寸：100mm×100mm× 5mm；

（二）實(shí)驗(yàn)儀器

HC-2型氧指數(shù)測(cè)定儀，南京江寧分析儀器廠生產(chǎn)；

C2F-3型水平垂直燃燒測(cè)定儀，南京江寧分析儀器廠生產(chǎn)；

錐形量熱儀，英國(guó)FTT公司生產(chǎn)。電子天平。

（三）測(cè)試方法

1.氧指數(shù)測(cè)試方法

運(yùn)用HC-2型氧指數(shù)測(cè)定儀，參照GB/T2406-2008《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法——氧指數(shù)法》，分別對(duì)丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.水平垂直燃燒性能測(cè)試方法

運(yùn)用C2F-3型水平垂直燃燒測(cè)定儀，參照GB/ T2408-1996《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法——水平燃燒法》和GB/T2408-2008《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法——垂直燃燒法》，分別對(duì)丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.錐形量熱儀測(cè)試方法

運(yùn)用錐形量熱儀，參照ISO5660相關(guān)參數(shù)分別對(duì)丙綸材料地毯、純毛材料地毯、兩種化纖材料地毯樣品進(jìn)行測(cè)試。以下是測(cè)試選擇的ISO5660反映材料特性的重要參數(shù)。

（1）熱釋放速率

熱釋放速率（HRR）是在預(yù)設(shè)的加熱器熱輻射熱流強(qiáng)度下，樣品燃燒后單位面積上釋放熱量的速率，單位為kW/m2。熱釋放速率越大，大量的熱量反饋至樣品表面從而加快其熱解速度，進(jìn)而產(chǎn)生更多揮發(fā)性可燃物加速火焰?zhèn)鞑?，因此材料的火?zāi)危險(xiǎn)性變得越大。

平均熱釋放速率（av-HRR，單位為kW/m2），也是火災(zāi)性能設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。樣品在整個(gè)階段的平均熱釋放速率可以用來(lái)對(duì)樣品在燃燒階段的熱釋放情況做出評(píng)估，平均熱釋放速率越大，說(shuō)明材料燃燒程度越猛烈。

峰值熱釋放速率（Pk-HRR，單位為kW/m2）也是材料的火災(zāi)特性重要參數(shù)之一，峰值熱釋放速率越大，火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。

（2）質(zhì)量損失速率（MLR）

質(zhì)量損失是可燃物燃燒反應(yīng)的必然結(jié)果，也是衡量可燃物火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。在錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中支撐樣品池的稱(chēng)量臺(tái)，通過(guò)采用五點(diǎn)差分法能自動(dòng)記錄材料燃燒過(guò)程中的質(zhì)量損失速率，單位為g/s。結(jié)果顯示，質(zhì)量損失率大的物質(zhì)，在真實(shí)火災(zāi)情況中其火焰?zhèn)鞑ニ俣纫脖容^快，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也就越大。

（3）CO/CO2產(chǎn)率

CO/CO2產(chǎn)率是衡量材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在建筑火災(zāi)的喪生者中，約80%以上是因?yàn)槲肓擞卸練怏w而致命。現(xiàn)實(shí)中火災(zāi)初期產(chǎn)生的有毒氣體也嚴(yán)重影響在場(chǎng)人員的安全撤離和疏散。

（4）生煙速率（SPR）

生煙速率（SPR，SPR=MLR×SEA，單位為m2/ s）是材料每秒時(shí)間里產(chǎn)生煙氣的能力。其有助于分析材料在火災(zāi)初發(fā)階段釋放煙氣的濃度是否具有危害性，對(duì)于分析火災(zāi)初期釋放的煙濃度是否影響人員的安全疏散具有重要意義。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）氧指數(shù)法測(cè)定分析結(jié)果

按氧指數(shù)測(cè)定方法要求對(duì)四種材料進(jìn)行測(cè)試，其氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由下算式計(jì)算氧指數(shù)

表1 氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)阻燃性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：OI＜27%為易燃材料；27%＜OI＜32%為可燃材料；OI＞32%為難燃材料。

由表1可知丙綸地毯氧指數(shù)為20.8%，純毛地毯氧指數(shù)為22.9%，化纖地毯1氧指數(shù)為20.1%，化纖地毯2氧指數(shù)為20.1%，均屬于易燃材料。

（二）水平垂直燃燒法測(cè)定分析結(jié)果

按燃燒性能測(cè)試方法，分別進(jìn)行地毯水平燃燒測(cè)試和地毯垂直燃燒測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

（三）錐形量熱儀法測(cè)定分析結(jié)果

將地毯按錐形量熱儀法測(cè)試要求加工，制成樣品，用電子天平稱(chēng)重，然后將其放入錐形量熱儀中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果分析如下：

1.相同熱輻射強(qiáng)度下材料燃燒性能的對(duì)比

（1）熱釋放速率

表3 地毯垂直燃燒測(cè)試結(jié)果

熱量的釋放速率通常被認(rèn)為是火災(zāi)發(fā)展進(jìn)程中用來(lái)描述材料燃燒性能的最重要參數(shù)，是評(píng)價(jià)材料燃燒性能的最重要的指標(biāo)之一。錐形量熱儀實(shí)驗(yàn)中地毯材料熱釋放速率與實(shí)體房間火災(zāi)特性顯示出較好的一致性。由圖1—3可看出，實(shí)驗(yàn)所選幾種地毯的熱釋放速率隨時(shí)間而變化的情況。

圖1 25kW/m2下地毯熱釋放速率—時(shí)間關(guān)系圖

圖2 35kW/m2下地毯熱釋放速率－時(shí)間關(guān)系圖

圖3 50kW/m2下地毯熱釋放速率—時(shí)間關(guān)系圖

由圖1—3可知，火焰開(kāi)始階段，熱量釋放速度較慢；一段時(shí)間后，火焰燃燒加速，釋放出的熱量劇增，直到達(dá)到峰值；以后，產(chǎn)生的熱量又隨之下降，火焰也逐漸熄滅。熱釋放速率與火災(zāi)發(fā)展的3個(gè)階段的特征對(duì)應(yīng)一致。

實(shí)驗(yàn)所選的幾種地毯材料，無(wú)論熱輻射強(qiáng)度高低，熱量釋放峰值出現(xiàn)的先后順序是丙綸地毯、化纖地毯2、化纖地毯1，其中純毛地毯的熱量釋放峰值出現(xiàn)順序有所波動(dòng)；同時(shí)，隨著熱輻射強(qiáng)度升高，丙綸地毯、化纖地毯1、化纖地毯2的熱量釋放峰值都增大，其中丙綸地毯的熱量釋放峰值的增大較慢，純毛地毯的熱量釋放峰值有所波動(dòng)。

此外，平均熱釋放速率也可以用來(lái)對(duì)材料在整個(gè)燃燒過(guò)程的熱釋放情況進(jìn)行評(píng)估，這也是火災(zāi)性能測(cè)試設(shè)計(jì)中通常需要的重要參數(shù)。平均熱釋放速率越大，表明材料燃燒程度越猛烈。

表4 地毯在不同熱輻射強(qiáng)度下的平均熱釋放速率

從表4中可知，輻射強(qiáng)度增強(qiáng)，平均熱釋放速率也隨之增大。其中化纖地毯1有所波動(dòng)，但總體來(lái)說(shuō)是增大的。

（2）生煙速率

可燃物燃燒過(guò)程釋放的有害煙氣通常是導(dǎo)致火場(chǎng)人員窒息、中毒致死的主要因素之一。生煙速率

是火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中描述材料燃燒性能的1個(gè)重要的參數(shù)。

圖4 25kW/m2下地毯生煙速率—時(shí)間關(guān)系圖

圖5 35kW/m2下地毯生煙速率—時(shí)間關(guān)系圖

圖6 50kW/m2下地毯生煙速率—時(shí)間關(guān)系圖

由圖4—6可看出，實(shí)驗(yàn)所選地毯樣品，隨著輻射功率升高，煙氣釋放量峰值出現(xiàn)的順序是丙綸地毯、化纖地毯2、化纖地毯1、純毛地毯，其中純毛地毯的煙氣釋放量峰值順序有所波動(dòng)。各種地毯樣品的煙氣釋放量峰值在31l/s,比較穩(wěn)定。

（3）CO產(chǎn)率

研究表明，當(dāng)空氣中CO濃度超過(guò)5×10-5%，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。因而CO的產(chǎn)率被定為衡量材料火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一。

表5 實(shí)驗(yàn)地毯材料在不同熱輻射強(qiáng)度下的平均CO生成率

由表5可知，隨著熱輻射強(qiáng)度增大，CO的產(chǎn)率總體來(lái)說(shuō)是上升的。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣品材料在輻射強(qiáng)度增強(qiáng)下，存在著一定的不充分燃燒，產(chǎn)生的不完全燃燒產(chǎn)物CO的量增加。然而，實(shí)際火災(zāi)中多為貧氧環(huán)境，比實(shí)驗(yàn)環(huán)境的氧氣更少，則地毯燃燒時(shí)的CO產(chǎn)率可能比實(shí)驗(yàn)測(cè)量值更高。

2.不同熱輻射強(qiáng)度下材料燃燒性能的對(duì)比

在熱輻射強(qiáng)度25KW/m2、35KW/m2、50KW/m2下，對(duì)丙綸地毯、純毛地毯、化纖地毯1和化纖地毯2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（1）熱輻射強(qiáng)度對(duì)熱釋放速率的影響

圖7 丙綸地毯熱釋放—時(shí)間關(guān)系圖

圖8 純毛地毯熱釋放—時(shí)間關(guān)系圖

圖9 化纖地毯1熱釋放—時(shí)間關(guān)系圖

圖10 化纖地毯2熱釋放—時(shí)間關(guān)系圖

由圖7—10可得，伴隨熱輻射強(qiáng)度的逐漸增大，峰值熱釋放速率同步增大，熱釋放的速率曲線也會(huì)產(chǎn)生前移，即材料的點(diǎn)燃時(shí)間變短，熱釋放加快，燃燒更猛烈。

（2）熱輻射強(qiáng)度對(duì)CO產(chǎn)率的影響

圖11 丙綸地毯CO產(chǎn)率—時(shí)間關(guān)系圖

圖12 純毛地毯CO產(chǎn)率—時(shí)間關(guān)系圖

圖13 化纖地毯1CO產(chǎn)率—時(shí)間關(guān)系圖

圖14 化纖地毯2CO產(chǎn)率—時(shí)間關(guān)系圖

由圖11—14可以看出，CO的產(chǎn)率隨著熱輻射強(qiáng)度的增加而變小，而曲線則存在前移的現(xiàn)象，即伴隨熱輻射強(qiáng)度的逐漸增大，點(diǎn)燃時(shí)間相應(yīng)減少縮短。

（3）熱輻射強(qiáng)度對(duì)質(zhì)量損失速率的影響

圖16 純毛地毯質(zhì)量—時(shí)間關(guān)系圖

圖17 化纖地毯1質(zhì)量—時(shí)間關(guān)系圖

圖18 化纖地毯2質(zhì)量—時(shí)間關(guān)系圖

從圖15—18可以看出，曲線的斜率表示材料質(zhì)量損失的速率，隨著熱輻射強(qiáng)度的增大，曲線的斜率逐漸增大，也就是材料質(zhì)量損失的速率在增大。這是由于熱輻射強(qiáng)度的增大，材料的熱分解速率也同步加快，產(chǎn)生釋放的可燃?xì)怏w或揮發(fā)性物質(zhì)較多，同時(shí)材料的質(zhì)量也消耗得越快。

三、結(jié)論

本文應(yīng)用氧指數(shù)法、水平垂直燃燒法、錐形量熱儀法3種方法對(duì)幾種常用地毯的燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，可以看出這幾種材料的地毯的使用對(duì)消防安全有較大的影響：第一，由氧指數(shù)法測(cè)出，這幾種地毯都屬于易燃材料，燃燒所需氧氣百分比較少，消防安全性能偏低。第二，由水平垂直燃燒法測(cè)出，丙綸地毯燃燒級(jí)別屬于FH-3、FV-0，純毛地毯燃燒級(jí)別屬于FH-1、FV-0，化纖地毯1燃燒級(jí)別屬于FH-3、FV-1，化纖地毯2燃燒級(jí)別屬于FH-3、FV-1。這幾種地毯在水平方向放置下，純毛地毯的消防安全性能相對(duì)其他幾種來(lái)說(shuō)較高；在垂直方向放置下，即豎直放置下，消防安全性能都偏低，都較易燃燒，而且純毛地毯在燃燒中的滴落物能引燃下面的可燃物。第三，由錐形量熱儀法測(cè)出，實(shí)驗(yàn)中的材料大多存在點(diǎn)燃時(shí)間較短、燃燒時(shí)產(chǎn)生較大的熱量、燃燒時(shí)發(fā)煙量偏大等火災(zāi)危險(xiǎn)性特征，有較大的火災(zāi)安全隱患。

由以上測(cè)試可知，這幾種地毯材料的消防安全性能偏低，加之它們的使用較為普遍，對(duì)其進(jìn)行阻燃處理很有必要。因此，從消防安全的角度考慮，當(dāng)前急需要研究經(jīng)過(guò)阻燃處理的地毯材料，并加以生產(chǎn)推廣。

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1673―2391(2015)12―0116―06

2015-10-16 責(zé)任編校：譚立超